汶川地震前GPS資料反映的應(yīng)變率場演化特征*

武艷強 江在森 楊國華 劉曉霞 趙 靜

(1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036 3)中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

汶川地震前GPS資料反映的應(yīng)變率場演化特征*

武艷強1，2)江在森2)楊國華3)劉曉霞2)趙 靜2)

(1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036 3)中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

對中國大陸東西向應(yīng)變率場的研究結(jié)果表明，青藏塊體西部(92°E以西)東西向拉張區(qū)和青藏塊體東部(92°E以東)東西向擠壓區(qū)反映了青藏高原物質(zhì)東向流動受到了華北-華南地塊的阻擋，形成了空間跨度約900 km的壓縮區(qū)，3期應(yīng)變率場結(jié)果均顯示南北地震帶中段位于東西向壓應(yīng)變率高值區(qū)。川滇地區(qū)應(yīng)變率場結(jié)果表明，巴顏喀拉地塊東向運動的增強導(dǎo)致了汶川地震震源區(qū)面應(yīng)變率的集中;在東西向擠壓高值區(qū)逐漸向東遷移的過程中，龍門山斷裂帶的東西向擠壓變形逐漸增強;旋轉(zhuǎn)率場動態(tài)演化結(jié)果表明，2004—2007年龍門山南段的逆時針旋轉(zhuǎn)變形強度有所減弱，龍門山斷裂帶中北部的順時針旋轉(zhuǎn)變形有所增強;主應(yīng)變率分布特征由散亂到一致的演化特征表明龍門山斷裂帶閉鎖狀態(tài)伴隨著擠壓和右旋剪切作用的增強達到了極高點。

GPS速度場;應(yīng)變率場;旋轉(zhuǎn)率場;動態(tài)演化特征;汶川地震

1 引言

自從開展大規(guī)模GPS觀測以來，中國大陸共發(fā)生兩次8級地震，其中2001年發(fā)生的昆侖山口西8.1級地震前GPS第二應(yīng)變率場結(jié)果顯示出了大范圍的東西向左旋變形特征［1］，汶川地震前是否存在反映孕震信息的大尺度GPS變形信息還需要進行深入研究。

由此，本文將利用多期GPS速度場資料，對汶川地震孕震區(qū)變形特征進行分析。考慮到龍門山斷裂帶為北東向展布的逆沖兼右旋走滑型斷層，而東西向應(yīng)變率場可以反映該斷裂帶的變形特征，因此利用1999—2001、2001—2004和2004—2007等3期GPS應(yīng)變率場計算結(jié)果，從大尺度上分析中國大陸東西向變形特征，進而對汶川地震前的東西向應(yīng)變率特征進行分析;并用川滇地區(qū)的GPS資料，分析小區(qū)域內(nèi)GPS應(yīng)變率場、旋轉(zhuǎn)率場、主應(yīng)變率分布等變形場的動態(tài)演化特征，從孕震區(qū)的尺度對汶川地震的形變特征進行分析。

2 GPS變形場的描述

圖1給出了歐亞基準的1999—2001、2001—2004、2004—2007速度場結(jié)果和以華南地塊基準的2004—2007速度場結(jié)果［2，3］。

從圖1可以看出，中國大陸西部地殼運動較為劇烈，東部地區(qū)較為平和。對比圖1(c)和圖1(d)可以發(fā)現(xiàn)二者在形態(tài)上明顯不同。如果用歐拉模型［4］來描述圖1(c)和圖1(d)的結(jié)果，兩個速度場的差異表現(xiàn)為歐拉參數(shù)的差別，即兩個速度場之間相差一個整體運動。圖1(c)的歐亞基準速度場反映了中國大陸運動偏離歐亞大陸的程度。圖1(d)的華南基準速度場反映了中國大陸相對于華南地塊的運動狀況。

圖1 中國大陸GPS速度場結(jié)果Fig.1 Distributions of the GPS velocity fields in Chinese mainland

從直觀上可以發(fā)現(xiàn)圖1(c)和圖1(d)存在顯著差別，比如圖1(c)顯示華南塊體存在南東向運動，興安-東蒙地塊運動特征不顯著，西域地塊存在北北東向運動;而圖1(d)顯示華南地塊的運動特征不顯著，興安-東蒙地塊存在北西向運動，西域地塊存在北西向運動。圖2給出了2004—2007年跨龍門山斷裂帶的GPS速度投影結(jié)果，數(shù)據(jù)選取范圍為(92.8°E，35.0°N)，(93.0°E，35.7°N)，(106.9°E，30.7° N)，(106.3°E，29.9°N)。結(jié)果顯示，該投影面以擠壓變形為主。歐亞基準結(jié)果與華南基準結(jié)果均表現(xiàn)出擠壓特征，基準的不同對該變形信息的識別沒有任何影響。二者的差別僅在于相差一個整體剛性運動。以華南基準為例，位于巴顏喀拉地塊距離龍門山斷裂帶-1 050 km處測點的南東向運動速率約為11.0 mm/a;-835 km處相對運動速率約為7.5 m/ a;-330 km處運動速率約為2 mm/a，從-1 050 km到-330 km處的地殼縮短折合成應(yīng)變率約為-1.2 ×10-8/a;跨越龍門山斷裂帶處沒有明顯的差異性運動，從-280 km到+200 km處的地殼縮短折合成應(yīng)變率約為-0.6×10-8/a。反映地殼縮短率的應(yīng)變率結(jié)果表明，2004—2007年龍門山斷裂帶附近200 km附近存在一定的變形閉鎖，應(yīng)變虧損率約為-0.6×10-8/a，這一應(yīng)變虧損表現(xiàn)為應(yīng)變能的持續(xù)積累。另外，用歐亞基準速度場可以得到極為一致的結(jié)果，二者的差別僅為微小量級，不影響對變形特征的分析。

圖2 GPS速度剖面投影結(jié)果(龍門山斷裂帶的南東向投影，2004—2007年)Fig.2 Projection results of GPS velocity(the south-east direction projection ofLongmenshan faultfor 2004—2007)

3 汶川地震前中國大陸GPS應(yīng)變率場動態(tài)演化特征分析

表1給出了最小二乘配置方法對3期速度場擬合的殘差分布情況［4-8］。

從表1看出，殘差絕對值較小的數(shù)據(jù)所占比例較大，而殘差絕對值較大的數(shù)據(jù)所占比例較小。因此，從殘差分布及其均方差結(jié)果來看，3期結(jié)果的最小二乘配置擬合值能夠反映絕大部分速度場信息。

表1 中國大陸速度場的殘差分布Tab.1 Fitting residuals of the velocity fields in Chinese mainland

由于汶川地震的震源機制表現(xiàn)為東西向逆沖兼右旋走滑特性，同時作為主動盤的巴顏喀拉地塊主要表現(xiàn)為東西向運動特性。圖3給出了中國大陸東西向應(yīng)變率場的動態(tài)演化結(jié)果。圖3(d)、(e)和(f)分別為1999—2001年、2001—2004年和2004—2007年東西向應(yīng)變率結(jié)果的一倍誤差等值線圖。

從總體上看，中國大陸西部東西向變形較為劇烈，其中青藏塊體西部(92°E以西)東西向以拉張變形為主;青藏塊體東部(92°E以東至100°E以西)東西向以擠壓為主。3期應(yīng)變率場結(jié)果均顯示南北地震帶中段位于東西向壓應(yīng)變高值區(qū)，1999—2007年一直處于大范圍擠壓狀態(tài)。

相對于圖3(c)和圖3(e)，圖3(a)中青藏高原西部的東西向拉張區(qū)面積和強度與圖3(e)相當而小于圖3(c)，并且圖3(a)結(jié)果顯示南北地震帶中部的東西向壓縮區(qū)面積和強度均小于圖3(c)和圖3(e)，該特征表明隨著時間的推移南北地震帶東西向擠壓變形有逐漸增強的趨勢。

圖3(c)應(yīng)變率場結(jié)果顯示，位于南北地震帶的壓縮區(qū)的面積和擠壓強度均有所增加，面積增大區(qū)域主要集中在原壓縮區(qū)的東西兩側(cè);位于青藏高原西部的東西向拉張區(qū)的拉張強度和面積也有所增加。該結(jié)果表明，雖然2001期觀測結(jié)果已經(jīng)利用同震位錯模型扣除了同震位移的影響，該左旋型地震的震后調(diào)整仍然對青藏高原的東西向應(yīng)變積累帶來了較大影響。該影響主要表現(xiàn)為巴顏喀拉和羌塘地塊的西部由于兩塊體的東向運動增強而形成了顯著的拉張增強區(qū)，而兩塊體的東部由于受到四川盆地的阻擋形成了顯著的壓縮增強區(qū)。

圖3(e)中，中國大陸東西向應(yīng)變率場演化特征相對于圖3(c)的差別主要表現(xiàn)在：位于青藏高原西部的東西向拉張區(qū)的拉張強度有所減小;位于南北地震帶的擠壓區(qū)的強度和范圍有所增加，表現(xiàn)為該區(qū)的擠壓逐漸增強。

總體上看，龍門山斷裂帶處于東西向擠壓的核心區(qū)，整個擠壓區(qū)空間跨度900km左右，并且隨汶川地震發(fā)生時間的臨近，東西向擠壓的強度和面積也越來越大。另外，2001年昆侖山地震的發(fā)生在一定程度上加速了汶川地震的孕育過程。

圖3 中國大陸東西向應(yīng)變率等值線分布Fig.3 Contour distribution of east-west strain rates in Chinese mainland

4 汶川地震前川滇地區(qū)GPS變形特征分析

表2給出了最小二乘配置方法對川滇地區(qū)三期速度場的擬合殘差的分布情況。表2的殘差分布結(jié)果與表1的類似，均具有較好的正態(tài)分布特性，從殘差分布及其均方差結(jié)果來看，3期結(jié)果的最小二乘配置擬合值能夠反映絕大部分川滇速度場信息。另外，川滇地區(qū)3期應(yīng)變參數(shù)的平均誤差約為0.48× 10-8/a，結(jié)果具有較好的精度和較高的穩(wěn)定性。

表2 川滇地區(qū)速度場擬合殘差分布表Tab.2 Fitting residuals of the velocity fields in Sichuan-Yunnan region

4.1 川滇地區(qū)GPS應(yīng)變率場演化特征分析

圖4給出了川滇地區(qū)面應(yīng)變率演化結(jié)果。1999—2001年期間震源區(qū)表現(xiàn)為弱壓縮特征，量值約為0.5×10-8/a;2001—2004年期間壓縮區(qū)表現(xiàn)出集中特性，量值約為1.0×10-8/a;2004—2007年期間壓縮區(qū)呈現(xiàn)完全集中現(xiàn)象，量值約為1.5× 10-8/a。

圖5給出了川滇地區(qū)東西向應(yīng)變率場演化結(jié)果，它清晰地反映了巴顏喀拉地塊的動力作用引起的東西向擠壓的變形特征。1999—2001年，東西向擠壓高值區(qū)的面積較小、最高值區(qū)位于鮮水河斷裂帶;2001—2004年，該擠壓高值區(qū)的面積和量值均有所增加，最大的擠壓變形仍然位于鮮水河斷裂帶并向東移動;2004—2007年，擠壓變形的量值明顯增強，最大東西向擠壓變形位于龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶交界處。在東西向應(yīng)變率場逐漸東向遷移的過程中，龍門山斷裂帶的東西向擠壓變形逐漸增強，到2004—2007年間達到最高。

圖6為川滇地區(qū)的旋轉(zhuǎn)率場動態(tài)演化結(jié)果(等值線虛線表示旋轉(zhuǎn)率小于0，代表順時針旋轉(zhuǎn);實線表示旋轉(zhuǎn)率大于0，代表逆時針旋轉(zhuǎn))，旋轉(zhuǎn)率反映了微元上除純剪切變形以外的轉(zhuǎn)動部分，單點不包含變形信息，不同微元組合起來定量表征了微元之間的相對運動。結(jié)果顯示川滇菱形塊體西部以順時間旋轉(zhuǎn)為主，反映了藏南地區(qū)繞阿薩姆角的大范圍順時針旋轉(zhuǎn)變形特征;川滇菱形塊體與華南地塊交界以逆時針旋轉(zhuǎn)為主，反映了該區(qū)域的近南北向左旋變形特征十分顯著。相對于圖6(a)和(b)，圖6 (c)顯示龍門山南段的逆時針旋轉(zhuǎn)強度有所減弱，表明2004—2007年該段的右旋剪切變形有所增強，并導(dǎo)致了安寧河斷裂帶左旋變形影響的減弱。龍門山斷裂帶中北部以順時針旋轉(zhuǎn)為主，反映了該區(qū)近南北向右旋剪切變形特征。具體來說，1999—2001年和2001—2004年龍門山斷裂帶中北段地區(qū)的右旋剪切變形維持穩(wěn)定狀態(tài)，2004—2007年該段右旋剪切變形區(qū)域有所擴大，量值也有所增強。

4.2 龍門山斷裂帶變形特征分析

圖4 川滇地區(qū)面應(yīng)變率等值線分布圖Fig.4 Contour distribution of surface strain rates in Sichuan-Yunnan

圖5 川滇地區(qū)東西向應(yīng)變率等值線分布圖Fig.5 Contour distribution of east-west strain rates in Sichuan-Yunnan

圖7為龍門山斷裂帶兩側(cè)200km范圍內(nèi)主應(yīng)變的分布。結(jié)果顯示1999—2001年龍門山斷裂帶東西兩側(cè)主應(yīng)變率存在明顯差異，表現(xiàn)為龍門山斷裂西側(cè)應(yīng)變率量值較大、一致性較好，越靠近斷裂帶主壓應(yīng)變方位角越大，龍門山斷裂帶及其東側(cè)應(yīng)變分布比較散亂;2001—2004年應(yīng)變率分布沿龍門山斷裂帶呈規(guī)則分布特征，與前一期相比斷裂帶附近及龍門山斷裂帶東側(cè)主壓應(yīng)變方向逐漸統(tǒng)一到110°左右;2004—2007期結(jié)果的規(guī)則性進一步增強，表現(xiàn)為斷層兩側(cè)主壓應(yīng)變方向更加一致，與前兩期結(jié)果比較該期結(jié)果在龍門山斷裂帶主壓應(yīng)變量值更大、方向更加一致。從總體上看，3期結(jié)果均表現(xiàn)為龍門山斷裂帶中北段的主壓應(yīng)變方位角小于南段。圖7(c)不同于圖7(a)和圖7(b)的地方還表現(xiàn)為龍門山斷裂帶中北部同一緯度的主壓應(yīng)變方向高度一致，而圖7(a)和圖7(b)結(jié)果表現(xiàn)為自西向東主壓應(yīng)變方位角逐步由小到大的偏轉(zhuǎn)。該特征表明1999—2007年龍門山斷裂帶的閉鎖逐漸達到極限，而2004—2007年龍門山斷裂帶附近的右旋剪切和東西向擠壓的增強有利于汶川地震的發(fā)生。

圖6 川滇地區(qū)旋轉(zhuǎn)率場等值線分布圖Fig.6 Contour distribution of rotation rate fields in Sichuan-Yunnan

圖7 龍門山斷裂帶主應(yīng)變分布Fig.7 Distribution of principal strain rates in Longmenshan fault

5 結(jié)論

1)川滇地區(qū)的面應(yīng)變率場結(jié)果表明，由于巴顏喀拉地塊東向運動增強進而導(dǎo)致汶川地震震源區(qū)的應(yīng)變集中;東西向應(yīng)變率場結(jié)果表明在東西向擠壓高值區(qū)逐漸向東遷移的過程中，龍門山斷裂帶的東西向擠壓變形逐漸增強。旋轉(zhuǎn)率場動態(tài)演化結(jié)果表明，2004—2007年龍門山南段的逆時針旋轉(zhuǎn)強度有所減弱，龍門山斷裂帶中北部的順時針旋轉(zhuǎn)有所增強，表明龍門山斷裂帶在此期間右旋剪切變形有所增強。主應(yīng)變率分布特征由散亂到一致的演化特征表明龍門山斷裂帶受巴顏喀拉地塊作用的逐步增強，閉鎖狀態(tài)伴隨著龍門山斷裂帶擠壓和右旋剪切作用的增強而達到了極限。

2)龍門山斷裂帶應(yīng)變積累速率不高，但從東西向應(yīng)變率場分布特征來看，該區(qū)仍然處于東西向擠壓的高值區(qū)。在應(yīng)變長期積累的背景下，2004—2007年結(jié)果顯示該期間應(yīng)變積累速度有所加快，反映了震前應(yīng)變積累的非穩(wěn)態(tài)過程?？傮w而言，1999—2007年GPS變形分析結(jié)果在一定程度上反映了汶川地震的孕震特征。

致謝 感謝中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)中心提供觀測數(shù)據(jù)!

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5 武艷強，等.利用最小二乘配置在球面上整體解算GPS應(yīng)變場的方法及應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報，2009，52(7)：1 707-1 711.(Wu Yanqiang，et al.The application and method of GPS strain calculation in whole mode using least square collocation in sphere surface［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(7)：1 707-1 711)

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7 江在森，等.GPS初步結(jié)果揭示的中國大陸水平應(yīng)變場與構(gòu)造變形［J］.地球物理學(xué)報，2003，(3)：352-358.(Jiang Zaisen，et a1.Horizontal strain field and tectonic deformation of China mainland revealed by preliminary GPS result［J］.Chinese Journal of Geophysics，2003，46(3)：352 -358)

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EVOLUTION CHARACTERISTICS OF STRAIN RATE FIELD REFLECTED BY GPS DATA BEFORE WENCHAUN EARTHQUAKE

Wu Yanqiang1，2)，Jiang Zaisen1)，Yang Guohua3)，Liu Xiaoxia2)and Zhao Jing2)

(1)Institute of Geology，CEA，Beijing 100029 2)Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing 100036 3)First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180)

On the analysis of deformation information reflected by GPS velocity data in different reference，the difference between movement and deformation is discussed and we emphasize the deformation is independent from reference basis.On the basis of reliability analysis of GPS strain rate calculation results with least square collocation method，the evolution characteristics of GPS strain rate fields are discussed in different spatial scale.The east-west strain rate fields shows that the area in west to 92°E has a EW stretch and the area in the east to 92°E has an EW compression in Qinghai-Tibet block.This character reflects the eastward flow of the material of Qinghia-Tibet plateau is barred by North-China and South-China Blocks and forms a spatial span of 900km compression zone，that the strain rate results of 3 sections shows the high compression zone locating at the middle area of South-North seismic zone.The strain rate result in Sichuan-Yunnan illustrates that the eastward movement of Bayankala block lead to the surface strain concentrating in the source of Wenchuan eartqhake，and the east-west compression deformation becomes more intensive in Longmenshan faults while the high area of east-west compression transferring to east.The evolution result of rotation rate fields shows that the anticlockwise deformation is weaken in the south of Longmen-

GPS velocity field;strain rate field;rotation rate field;dynamic evolution characteristics;Wenchuan earthquake

1671-5942(2011)05-0020-07

P315.72+6

A

2011-02-23

公益性地震行業(yè)科研專項(201008007)

武艷強，男，副研究員，博士研究生，主要從事大地測量數(shù)據(jù)處理與分析工作.E-mail：chdqyw@126.com shan fault and the clockwise deformation has been strengthened in the north of Longmenshan fault from 2004 to 2007.The distribution of principal strain rate changing from disheveled to consistent reveals that the locking status of Longmenshan fault has reached high-point with the compression and dextrorotation deformation strengthening.